Escalabilidad de computadoras cuánticas con trampa de iones

Tengo entendido que los campos magnéticos necesarios para mantener los iones en su lugar en las computadoras cuánticas de trampa de iones son muy complejos, y por esa razón, actualmente, solo son posibles las computadoras 1-D, lo que reduce la facilidad de comunicación entre qubits. Parece que hay una propuesta para un sistema 2-d que usa una trampa de Paul en esta preimpresión, pero parece que no puedo encontrar si esto realmente se ha probado.

¿La escalabilidad de las computadoras cuánticas con trampa de iones depende solo de esto (si los iones se pueden organizar o no en configuraciones que no sean una línea recta) o hay otros factores implicados? Si es lo primero, ¿qué progreso se ha hecho? Si es esto último, ¿cuáles son los otros factores?

Las computadoras cuánticas con trampa de iones retienen iones en el espacio vacío utilizando campos eléctricos, no magnéticos. Eso es imposible usando campos estáticos ( teorema de Earnshaw ) por lo que se usa un campo alterno. El efecto es que las partículas cargadas, como los iones, buscan un mínimo de campo; Este tipo de trampa de iones también se llama trampa cuadrupolo porque el campo más simple (orden más bajo) que tiene un mínimo en el espacio es un campo cuadrupolo. Es simple organizar los campos que confinan iones a un punto o a una línea y las computadoras cuánticas con trampa de iones usan este último. Sin embargo, esto no escala porque los cálculos involucran modos de movimiento de los iones que se vuelven más difíciles de distinguir cuando hay más iones.

Hay dos enfoques para hacer que este enfoque sea escalable: unir cadenas de iones usando luz (fotones) o mediante el traslado de iones de una a otra sección lineal de trampa de iones. El uso de fotones es particularmente difícil y está lejos de ser viable actualmente para una computadora cuántica que cumpla con un umbral de corrección de errores, así que concentrémonos en la transferencia de iones.

Las trampas cuadrupolo matemáticamente verdaderas no se pueden construir para tener intersecciones, pero eso no ha impedido que los físicos las hagan de todos modos. El truco es que, aunque uno no puede hacer arreglos para tener un campo cuadrupolo en el centro de la intersección, todavía puede tener confinamiento. Y al conducir ligeramente los iones al campo de confinamiento (alternando) usando un campo estático, uno puede obtener un confinamiento suficientemente fuerte. Incluso se ha demostrado que tal desplazamiento a través de una intersección es posible sin calentar significativamente el ion (cambiando su estado de movimiento).

Con tales intersecciones, las trampas de iones son escalables.

Es posible que desee consultar este Schaetz et al, Informes sobre el progreso en física de 2012 " Simulaciones cuánticas experimentales de física de muchos cuerpos con iones atrapados " ( enlace alternativo en semántica escolar ). En resumen: sí, la disposición de los iones es una limitación clave para la escalabilidad, pero no, las configuraciones no se limitan actualmente a una sola línea de átomos . En ese papel, revise la Figura 3 para ver imágenes de fluorescencia experimental de iones enfriados por láser en un potencial de confinamiento común de una trampa de RF lineal, que incluye un ión único, una línea, una cadena en zig-zag y una construcción tridimensional.

De la Figura 3 en el artículo anterior de Schaetz et al: " Las transiciones de fase estructural se pueden inducir entre cristales de una, dos y tres dimensiones, por ejemplo, reduciendo la proporción de frecuencias de atrapamiento radial a axial " . Estoy seguro de que es más reciente Los documentos de revisión deberían existir, pero este es el primero que encontré que fue satisfactorio. Es cierto que los resultados actuales tienen más que ver con la simulación directa que con el cálculo universal, por ejemplo, de la figura 13 en el mismo documento: " Cambiar los parámetros experimentales de forma no adiabática durante una transición de fase estructural de una cadena lineal de iones a una estructura en zigzag, el orden dentro de el cristal se rompe en dominios, enmarcados por defectos topológicamente protegidos que son adecuados para simular solitones " .

Sobre el mismo tema, y ​​también a partir de 2012, otro artículo que vale la pena ver sería Interacciones de Ising bidimensionales diseñadas en un simulador cuántico de iones atrapados con cientos de giros (versión arXiv) ( versión Nature . Tienes la imagen experimental como la Figura 1 ; es una trampa de Penning en este caso en lugar de una trampa de Paul. De hecho, no es la computación cuántica universal sino la aplicación especializada de la simulación cuántica, pero aún así es un progreso experimental innegable para mantener los iones en su lugar en una trampa 2-D y avanzando así hacia la escalabilidad.

No soy un experto en trampas, pero esto es lo que obtuve en escalabilidad en una conferencia reciente (2017):

• Los experimentadores juegan con los potenciales y logran combinaciones interesantes, con zonas centrales que son casi cristalinas (cadenas, escaleras, cintas, etc.) y puntas exóticas (por ejemplo, cintas o escaleras que terminan en un solo átomo).
• $s^1$$^+$$^+$$^{14}$$^2$
• Las vibraciones colectivas se utilizan como base para la comunicación entre bits. Como en el punto anterior, el modo de respiración es excepcionalmente estable y, por lo tanto, cómodo de usar, pero también se puede acceder a otras vibraciones y permitiría esquemas de comunicación entre bits más interesantes.

Si bien no soy un experimentalista, y no he estudiado estos sistemas en gran profundidad, mi comprensión (cruda) es la siguiente:

En las trampas de iones usted (más o menos) tiene que atrapar los iones en líneas. Sin embargo, esto no es una limitación en términos de la facilidad de comunicación porque lo que probablemente esté pensando es que cuando un sistema lineal tiene interacciones vecinas más cercanas, es decir, cada qubit solo puede interactuar con sus vecinos inmediatos. En las trampas de iones, esto no es realmente cierto porque puede acceder a un modo de vibración común de todos los iones para que los pares arbitrarios interactúen directamente. De hecho, eso es realmente bueno.

El problema es esa cantidad de qubits que puedes almacenar. Cuantos más átomos coloque en la trampa, más cercanos estarán sus niveles de energía, y más difícil será abordarlos individualmente para controlarlos e implementar puertas. Esto tiende a limitar la cantidad de qubits que tiene en una sola área de captura. Para evitar esto (y con la ventaja adicional de paralelismo, necesaria para la corrección de errores), las personas quieren que interactúen varias regiones de captura distintas, ya sea con qubits voladores, o mediante el traslado de los átomos entre diferentes regiones de captura. Este segundo enfoque parece estar muy avanzado. Esta es la propuesta de la teoría, pero ciertamente he visto documentos que han demostrado los componentes básicos .